基于三維探地雷達的路面介電常數評價研究

魏新宇

摘 要：新建瀝青路面面層的施工質量均勻性對整個瀝青路面的使用壽命有顯著的影響，三維探地雷達（三維探地雷達）是目前成功應用到道路機場工程的無損檢測工具之一，其理論基礎是電磁混合理論，通過檢測路面材料的介電常數來評價瀝青路面的施工質量均勻性。三維探地雷達系統與傳統的無損檢測的設備相比具有獨特的優越性，因為三維探地雷達的數據收集是由車載系統完成的，可以覆蓋近100%的檢測范圍，結合現場取芯和無核密度儀的檢測結果可以用來量化與介電常數相關的路面特性。隨著三維探地雷達技術的發展，現場瀝青混合料施工質量均勻性快速檢測成為可能。

關鍵詞：瀝青路面;三維探地雷達;介電常數

引言

現場密度是決定熱拌瀝青路面耐久性的關鍵因素，過高或者過低的密度，對路面使用壽命均有顯著的負面影響。瀝青路面的密度與空隙率是可以相互轉換的，密度越大，空隙率越小;密度越小，空隙率越大。瀝青路面的空隙率分布在一定程度上又可以反映該路面的施工質量均勻性，既快速又準確的檢測瀝青路面的施工質量均勻性對于道路的施工質量、耐久性有著重要的意義。

1均勻性評價方法

現常見的評價瀝青路面均勻性的方法主要有：鋪砂法、鉆芯取樣法、核子密度儀法、無核密度儀法、紅外儀成像法、探地雷達法等。前四種方法準確性雖然高，但是工作效率低且不能100%覆蓋需檢測的范圍，只能在小范圍內進行評價，其代表性差，其中核子密度儀具有放射性，其需要專業人員操作;紅外成像儀法只能在施工期間對瀝青路面鋪設溫度進行均勻性檢測，無法對建造完成的瀝青路面進行質量均勻性檢測。無損檢測（NDT）技術是在不損害道路完整性的基礎上反映路面施工質量均勻性的理想方法，最近的研究表明，三維探地雷達可用于評估施工期間的現場密度，同時提供施工區域近100%的檢測覆蓋率，利用探地雷達評價瀝青路面的質量均勻性是現在最理想的無損檢測方法。對于施工均勻的路面，三維探地雷達接收由蝶形天線發射的電磁波接觸到路表后發生反射的反射波是非常均勻的，即介電常數也是均勻的，所以利用介電常數來評價瀝青面層均勻性是具有重要意義的。

2探地雷達的工作原理及參數設置

2.1工作原理

探地雷達（三維探地雷達）接收由蝶形天線發射的電磁波接觸到路表、面層與基層、基層與路基界面后發生反射的反射波，從路表反射的電磁波很容易處理，并用此計算表面的介電常數，介電常數表示某個材料對電磁波吸收和釋放的能力，是瀝青路面物理指標之一，其大小可以反映瀝青路面各組成部分的比例。將真空的介電常數ε0作為參考值，材料的相對介電常數是指將材料的介電常數ε除以真空的介電常數ε0。相對介電常數一般是一個復數，實部表示某一材料的電磁波儲存能力，虛部表示某一材料的電磁波損耗能力，通常相對介電常數的虛部比實部小得多，所以在介紹材料的相對介電常數時常常忽略虛部的數值[1]。空氣的相對介電常數為1，瀝青的相對介電常數為3，干燥集料的相對介電常數為8。

2.2參數設置

該雷達系統的天線陣包括21個發射和接收通道，每個通道0.75m，所以一次掃描就可以覆蓋15.75m的寬度范圍，具有檢測范圍廣的優勢;該系統采用頻率步進技術，在檢測過程中不用頻繁地更換天線，具有操作簡單的優勢[2]。

本研究的三維雷達頻率設置為：300～2890MHz，步進頻率為：20MHz，采集間隔為：2.04cm，時窗為：25ns，駐留時間為：3.0?。確定好以上參數的數值就可以確定檢測車輛最大的行駛速度，不要超過規定的最大行駛速度，否則就會造成數據的丟失。

3數據測定

在本研究中，我們最感興趣的是面層介電常數。正如前邊提到的，介電常數是瀝青路面物理指標之一，其大小可以反映瀝青路面各組成部分的比例[3]，瀝青路面的壓實降低了低介電常數的空氣在瀝青混合料中的比例，增加了高介電常數的集料和瀝青的比例，從而導致瀝青混合料的相對介電常數更高，由此可見，瀝青混合料的相對介電常數與瀝青混合料的密度正相關，與瀝青混合料的空隙率負相關[4]，所以介電常數可以作為評價瀝青路面施工均勻性的參數。

3.1現場取芯法

本研究采用的第一種計算瀝青面層介電常數計算方法是現場取芯法，通過利用常規天線配對的雷達圖像確定取芯處雷達波在面層中的雙程時長和現場取芯的面層實際厚度就能計算現場取芯的面層介電常數。如公式（3）所示：

3.2共中點法

利用探地雷達（三維探地雷達）反射的振幅和反射之間的時間延遲來計算層厚度和介電常數。本研究采用的第二種方法是共中點法進行瀝青路面的數據采集，然后用RD-SGA三維雷達自動分析軟件，對三維探地雷達在共中心點天線配對方式下采集到的瀝青路面數據的介電常數和厚度進行自動計算。眾所周知，由于瀝青路面并不是均勻材料，其相對介電常數肯定不是一個常數，而是在一定數值范圍內波動。通過探地雷達采集足夠多的數據并加以分析，降低了面層的相對介電常數對面層厚度和密度檢測精度的影響，用不變的相對介電常數代替變化的相對介電常數，其面層厚度和密度測量誤差可以在可接受的范圍內。面層介電常數計算如下：

介電常數檢測原理：

4結論

（1）三維探地雷達檢測是在完成攤鋪后進行的，三維探地雷達與現場取芯測得的介電常數有良好的相關性，并成功覆蓋了幾乎100%的檢測區域。

（2）通過三維探地雷達共中點法測得的瀝青混合料的介電常數值分布較為集中，用不變的相對介電常數代替變化的相對介電常數，其密度測量誤差可以在可接受的范圍內。

參考文獻

[1] 劉濤.基于無損檢測方法的瀝青路面介電特性與施工質量評價研究[D].華南理工大學博士學位論文，2016

[2] 祝麗.基于三維探地雷達的瀝青路面施工均勻性研究[D].山東建筑大學碩士論文，2018

[3] 羅傳熙，張肖寧，虞將苗等.基于介電常數瀝青路面均勻性評價.科學技術與工程，2018，18（5）：305-308.

[4] 馬林，遲鳳霞，張肖寧.綜合應用無損檢測技術評價瀝青混凝土路面施工離析.公路，2018，（4）：113-118.